汽油機尾氣后處理系統的優化設計

陳康 劉飛鋒

摘要： 本文針對不同工況下汽油機尾氣排放特征展開分析，內容包括穩定工況的負載因素、穩定工況的轉速與溫度因素、冷、熱機啟動工況排放對比等，結合汽油機尾氣后處理系統優化設計內容，通過研究加強反應過程的精密把控、做好催化器工作參數檢查、擬定合理可靠的養護計劃等注意事項，其目的在于提升尾氣后處理系統運行穩定性，提高優化后系統節能性。

Abstract： This article analyzes the characteristics of gasoline engine exhaust emissions under different operating conditions， including load factors in stable operating conditions， speed and temperature factors in stable operating conditions， emission comparison of cold and hot engine starting conditions， etc.， combined with gasoline engine exhaust after-treatment system optimization.

關鍵詞： 汽油機;穩定工況;尾氣后處理系統

Key words： gasoline engine;stable working condition;exhaust gas aftertreatment system

中圖分類號：U472.43??????????????????????????????????? ? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0018-02

0? 引言

目前汽車所使用的發動機種類包括汽油發動機、柴油發動機等，其中汽油發動機在使用過程中，使用較多的尾氣后處理系統是三元催化轉化器，該轉化器的應用，能夠大幅度減少污染物排放量，處理效率在90%以上。但是轉化器在應用時，由于其起燃溫度相對較高，而汽油發動機冷啟動情況下，其對外排氣溫度比較低，從而影響到轉化器的穩定性，對此需要在已有基礎上，對于已有后處理系統進行優化設計，從而提升尾氣后處理系統工作效率，滿足環境管理規范中的管理需求。

1? 不同工況下汽油機尾氣排放特征分析

1.1 穩定工況的負載因素

汽油機的尾氣由HC、CO、NOX組成，這些氣體如果不加處理，直接排放到空氣當中，會造成城市空氣污染，甚至影響到城市居民的人身健康，因此應該深入研究各種工況下尾氣排放情況，以便采取相應的處理措施，減少有毒物質的排量。在穩態的工況下，進油量和進氣量都會影響到通用小型汽油機尾氣排放，通過實驗，可以得知通用小型汽油機在溫度、空燃比穩定的情況下，進氣量越大，HC和 CO的排放量越小;反之，進氣量越小，HC和CO的排放量越大。同時，當節氣門的開度為百分之百時，通用小型汽油機負載會發生躍變，從而導致通用小型汽油機尾氣的排放量迅速地升高。

1.2 穩定工況的轉速與溫度因素

隨著汽油機負載的增加，其轉速也會隨之增長，這也就是說，逐步減載時氣體排放規律與加載是基本一致的，成線性關系，因此相關研究人員可以據此來繪制通用汽油機負載、轉速的曲線圖，并作為后續尾氣處理的根據。同時，排氣的溫度也會對汽油機尾氣排放產生相當大的影響，排氣溫度在汽油機發動之后，會不斷地上升，最終趨于穩定。排氣的溫度不僅受到汽油機性能、型號的影響，還受汽油機運行環境的影響，運行環境的溫度越高，汽油機的排氣溫度越高，當汽油機排氣溫度穩定時，各種氣體的排量也會隨之穩定。

2? 汽油機尾氣后處理系統優化設計分析

2.1 催化反應機理

2.1.1 氧化還原反應

在汽油機燃燒過程中，其燃燒溫度最高可達1200℃，而且機械內部燃燒室內的N2非常豐富，其中部分N2也會在高溫高壓狀態下，被氧化成NOX。相比于柴油機，汽油機內部的空氣系數相對較低，因此在低氧狀態下所生成的氮氧化物主要以NO為主，即N2+O2→2NO。如果反應環境穩定性較強，在反應過程中也會涉及到NO2的氧化反應，即N2+2O2→2NO2，而催化器在工作過程中，所涉及到的還原反應如下：CO+NO→CO+1/2N2。因為氧氣濃度較低，因此NO2的生成量可以適當忽略，以得到合適的數據分析結果。

2.1.2 催化氧化反應

在汽油機燃燒過程中，如果出現氧氣含量較少的情況，那么此時也會產生許多無法完全燃燒的附加產物，常見的附加產物包括CO、未燃HC等，而三元催化器在使用過程中，也會借助金屬催化劑來對其進行處理，其催化效率也將直接影響到系統的反應速度。目前在應用中，經常使用到的金屬活性催化劑為Ce2O3，該材料的造價成本相對較低，同時具備了良好的催化效率，以此為催化劑所得到的化學反應如下：2CO+O2→2CO2;CxHyOz+（x+y/4+z/2）→xCO2+yH2。根據反應式可以了解到，系統在反應過程中，能夠迅速完成催化氧化工作，從而得到可靠的分析模型。

2.2 建立仿真模型

2.2.1 合理篩選建模軟件

在建立仿真模型時，需要做好建模軟件的篩選工作，基于以往地實踐經驗，多選擇AMEsim軟件來作為建模軟件，搭配著IFP Exhaust排放庫來完成聯合仿真工作，從而建立良好地仿真模型，模型中所涉及的主要參數信息如下：①仿真用車發動機，型號為L4;②仿真用車排量，設計為常規值2.0L;③車輛進氣方式選擇自然吸氣，這也是多數汽油機動車使用的進氣方式;④車輛的運行工況設置為NEDC;⑤實驗中的金屬催化劑種類為Ce2O3;⑥系統中設置的網格密度在600-800個/平方英尺，確保進入氣體的純凈度;⑦系統允許的最大流量，基于該實驗的實際情況，在對該參數進行設計時，其參數控制在45g/s，便于數據參數的統計;⑧系統運行時的初始溫度設置在20-30℃，屬于熱機啟動狀態。

2.2.2 明確仿真氣源

在此次仿真實驗過程中，其主要目的是分析系統對廢氣的凈化效率，積累有效數據，為后續系統優化方向的確定提供參考。在具體的分析活動中，首要任務便是明確汽油機在固定工況下所排出尾氣的主要成分，這也是本次仿真實驗過程中使用到的仿真氣源。在實際應用中，多采用歐洲NEDC工況來作為參考，隨后對車輛速度進行測試，得到相應的參數信息，將信息匯總后整理成圖，提升數據采集結果的直觀性。根據實驗數據可以了解到，在發動機啟動之后，其初始狀態的排氣溫度相對較低，這樣在0-100s區間內，受到發動機缸壁和排氣管道內部溫度的影響，使得廢氣溫度上升速度處于較慢的狀態，根據測溫數據顯示，此時末端溫度只有300℃;在100-150s區間，此時內部溫度開始穩定上升，根據測溫數據顯示，此時末端溫度接近500℃;在180s后，此時內部溫度開始快速上升，根據測溫數據顯示，此時末端溫度超過500℃，車輛也處于高速行駛的狀態。

2.2.3 催化轉化過程分析

在系統運行過程中，也需要對催化轉化過程進行分析，根據分析數據可以了解到，3WCC在工作期間，針對不同類型污染物尾氣的催化轉化效率較高，即在已知工況的設定背景下，針對NOX、HC、CO等污染物的催化轉化效率均在80%以上，其中針對NOX污染物的催化轉化效率達到了95.03%，由此可見，該系統在工作狀態上，依舊處于比較高的應用水平。而且額在0-100s區間內，受到發動機內部溫度較低的影響，此時系統對于廢氣的處理效率相對較低，此時NOX的催化轉化率只有30%，CO的催化轉換率只有5%;在100-150s區間，此時內部溫度開始穩定上升，系統對于廢氣的處理效率也在上升，并且在150s左右達到最大值，此時廢氣的催化轉化率均在97%以上[1]。

3? 汽油機尾氣后處理系統應用時的注意事項

3.1 加強反應過程的精密把控

通過加強反應過程的精密把控，能夠確保尾氣后處理系統反應過程的穩定性，確保催化氧化效率的合規性。在具體實踐中，第一，對反應過程進行梳理，確定反應過程的各項參數，基于此來擬定相應的管控計劃，梳理計劃中的注意事項，借此來提高計劃內容的指導性。第二，在計劃推行前需要做好相應的培訓工作，使所有人員可以明確計劃中的相關內容，嚴格按照計劃中的相關內容展開分析，并且也需要加強反應過程的監督管理，及時糾正誤差問題，從而確保反應過程的順利進行，提高反應結果的合理性。

3.2 做好催化器工作參數檢查

通過做好催化器工作參數檢查，可以確保系統初始狀態的合理性，以滿足系統穩定工作的相關要求。在具體實踐中，第一，需要對標準參數信息進行整理，可以采用表格的方式進行整理，將一些重要參數進行標注，以此為基礎來進行參數校對，若偏差在允許范圍內，表明催化器工作狀態滿足應用要求，反之則需要對其進行調試，待其滿足要求后再進行使用[5]。第二，做好檢查后參數的復核工作，并且對復核內容進行記錄，利用數據庫技術對其進行存儲，為后續養護計劃的制定和修改提供參考。

3.3 擬定合理可靠的養護計劃

通過擬定合理可靠的養護計劃，能夠確保系統工作狀態的穩定性，延長系統的使用壽命。從實際應用情況來看來擬定相應的養護計劃，在養護計劃中會對養護周期、養護內容進行整理，提升養護計劃的指導價值。同時養護計劃在落實過程中，對于反饋數據進行整理，篩選價值數據來調整養護計劃中的相關內容，從而提高養護計劃的適用性，提升系統工作狀態的安全性和穩定性。

4? 結束語

綜上所述，加強反應過程的精密把控，能夠確保尾氣后處理系統反應過程的穩定性，做好催化器工作參數檢查，可以確保系統初始狀態的合理性，擬定合理可靠的養護計劃，能夠確保系統工作狀態的穩定性。通過采取合理措施來提高催化器工作效率，對于優化系統工作性能，減少汽油機廢氣污染有著積極的意義。

參考文獻：

[1]楊麗君，許剛.柴油機尾氣后處理系統故障診斷與優化[J].農機使用與維修，2021（6）：93-94.

[2]張洪生，鹿順江，何理華.SCR尾氣后處理系統安裝方法及注意事項[J].重型汽車，2021（02）：46-47.

[3]李曙輝，邵毅明.汽車尾氣后處理系統鋁泵體的精鍛工藝智能優化[J].鍛壓技術，2021，46（02）：1-8.